Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Sensorwerkstoffe

1. Leiterwerkstoffe für den Spulenaufbau

In diesem Kapitel werden die in der Mikrotechnologie eingesetzten Leiterwerkstoffe vorgestellt. Aus Tabelle 2.1 kann man ablesen, dass Kupfer das am besten leitende Material für die Spulenherstellung ist.

Tabelle 2.1: Leitfähigkeit reiner Metalle

Werkstoff	Leitfähigkeit [S/m]
Kupfer	> 57·10^6
Gold	46·10^6
Nickel	14·106

Gute Leitfähigkeit, relativ hohe Korrosionsbeständigkeit, gute Lötbarkeit und seine Verfügbarkeit machen Kupfer zum am weitesten verbreiteten und wichtigsten Material in der Elektrotechnik. Kleinste Verunreinigungen (geringer als 0,01%) können die Leitfähigkeit von Kupfer merklich verschlechtern. In der Elektrotechnik ist es üblich, die Leitfähigkeit als Reinheitsgrad anstelle der Analyse und des Prozentgehalts von Fremdstoffen zu verwenden [GUI83].

				P		Fe		Co		Si As Cr Be Mn Sb Al Sn Ni Pb Ag Zn Ca

10^-4*0,024


]

m_{∗ [}Ω

_nd

a _st

_er

_id W

_z.

_pe

S

Spez. Widerstand [Ω*cm]
0,022


0,020


0,018

0,016

0

0,02

0,04


0,06


0,08


0,1

42*10⁶

44


]

_/m _[S

_it

_ke

_ig _äh _itf

_Le

Leitfähigkeit [S/m]
46
48
50
52
54

56

2005 imt 5017-022
58

Verunreinigungen [Gew.%]
Bild 2.21: Einfluss von Fremdelementen auf den spez. Widerstand bzw. die Leitfähigkeit von Kupfer [RAC85]

Bild 2.21 zeigt den Einfluss unterschiedlicher Verunreinigungen auf die Leitfähigkeit von Kupfer. Bei Kaltverformung nimmt der Wert der Leitfähigkeit außerdem ab. Dieser Wert wird sehr stark von der Temperatur beeinflusst und nimmt mit ansteigender Temperatur zu. In der Luftatmosphäre bildet sich schon bei Raumtemperatur auf der Kupferoberfläche eine Oxidschicht aus, die das Volumenmaterial vor weiteren chemischen Eingriffen schützt und sich nach einer Beschädigung oder Entfernung erneuert.

Ein weiteres wichtiges Material für die Leiterherstellung ist Aluminium. Die Leitfähigkeit von Aluminium beträgt nur ca. 63% derjenigen von Kupfer, liegt jedoch noch deutlich höher als bei anderen Materialien (ausgenommen Silber und Gold). Den breiten Anwendungsbereich verdankt das Aluminium seiner niedrigen Dichte von 2,7 g/cm³ und seiner guten Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen atmosphärischen Einfluss (wie Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit). Allerdings sind Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kaltverformbarkeit, wie bei Kupfer, sehr stark vom Reinheitsgrad des Aluminiums abhängig.

Beim Einsatz von Leitermaterialien in der Mikrotechnologie müssen unter- schiedliche Aspekte berücksichtigt werden. Alle Materialien sollten sich durch mikrotechnologische Prozesse abscheiden und strukturieren lassen. Im Bereich dünner Filme entstehen Wechselwirkungen wie z.B. Schichtspannungen zwischen den Leiterwerkstoffen und anderen Funktionsschichten, was zur Änderung der Materialeigenschaften führt. Zudem ist in der Mikrotechnologie die Möglichkeit zur Kontaktierung sehr wichtig. Dies bedeutet, dass das leitende Material für die Anschlusspads mit ausgewählten Kontaktierungsmaterialien verbunden wird. Aus diesen Gründen werden im Mikrotechnologiebereich für den Spulenaufbau am häufigsten Gold und Kupfer eingesetzt. Diese Wahl begründet sich außerdem darin, dass sich diese Elemente leicht galvanisch abscheiden lassen.

2. Isolationsmaterialen

1. Anorganische Isolationsmaterialien

Als Isolationswerkstoffe können sowohl organische als auch anorganische Dielektrika dienen. In mikrotechnologischen Prozessen sind vorwiegend anorga- nische Werkstoffe als Isolationsschichten verbreitet. Zur Herstellung von Isolationsschichten werden hier Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) verwendet [HOP98]. In Tabelle 2.2 sind einige Eigenschaften dieser drei Isolationsmaterialien gegenübergestellt. Siliziumdioxid wird unter anderem durch thermische Oxidation von Silizium bei 1.000°C hergestellt. Auch ist es möglich, Siliziumdioxid durch CVD-Prozesse oder reaktive Kathodenzerstäubung abzuscheiden.

Tabelle 2.2: Physikalische Eigenschaften ausgewählter Isolationsmaterialien [RUG84]

Eigenschaften	SiO2	Si3N4	Al2O3
Spezifischer Widerstand [Ωcm]	>1.016	1.007	>1.016
Therm. Leitfähigkeit [W/cmK]	0,14	0,185	0,17
Therm. Ausdehnungskoeff. [10^-6K^-^1]	0,5	2,8	7,0
Schmelzpunkt [°C]	ca. 1.700	ca. 1.900	ca. 2.000
relative Dielektrizitätskonstante	3,9	7,5	9,0
Durchbruchfeldstärke [V/cm]	6·10^6	8·10^6	5·10^6-10^7
Dichte [g/cm^3]	2,65	3,44	2,4
Bandlücke [eV]	8,9	5,1	8,7

Siliziumnitrid- und Aluminiumoxidschichten werden ausschließlich durch Kathodenzerstäubung hergestellt. Die Abscheidung von Aluminiumoxid ist auch unter Verwendung von Aluminiumtargets in einer Sauerstoffatmosphäre möglich.

Aluminiumoxid weist ionische Bindungen auf, ist thermisch beständig und besitzt vor allem gute Isolationseigenschaften. Neben dem hohen Widerstand ist Aluminiumoxid durch eine hohe Durchbruchfeldstärke gekennzeichnet. Der Nachteil besteht lediglich darin, dass die relative Dielektrizitätskonstante von Aluminiumoxid um den Faktor 2,3 größer ist als die von Siliziumoxid und immerhin um den Faktor 1,2 über dem von Siliziumnitrid liegt [BER89].

Alle vorgestellten Materialien haben einen Schmelzpunkt oberhalb 1.600°C und gleich große spezifische Widerstände. Bei der Verwendung von Isolatoren im Sensorikbereich ist ferner der Ausdehnungskoeffizient sehr wichtig. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid ist mehr als doppelt so groß wie der von Siliziumnitrid.

Im Bereich von Schreib-Lese-Köpfen werden für die Herstellung des Schreib- Lese-Spalts parallel anorganische und organische Isolationsmaterialien eingesetzt, wobei Aluminiumoxid vor allen anderen Materialien der Vorzug gegeben wird [FON90]. Für die Spulenisolierung werden auch Siliziumdioxid, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid verwendet. Aluminiumoxid wird aufgrund seiner guten dielektrischen, mechanischen und wärmeleitenden Eigenschaften sehr oft auch als Substratwerkstoff eingesetzt.

2.